Podstawowe pojęcia programowania współbieżnego Jarosław Kuchta Podstawowe pojęcia programowania współbieżnego

Współbieżność w życiu codziennym Jednocześnie: chodzimy oddychamy prowadzimy rozmowę jemy? Korzystamy ze współdzielonego zasobu - gardła

Współbieżność w systemach operacyjnych Jednoczesna: edycja tekstu sprawdzanie pisowni zapisywanie dokumentu

Współbieżność a równoległość Wykonanie współbieżne – w tym samym czasie z punktu widzenia niezależnego obserwatora Wykonanie równoległe – w tym samym czasie na przynajmniej dwóch procesorach Wniosek – wykonanie współbieżne wymaga mniej procesorów niż wątków sterowania – w szczególności możliwe jest na jednym procesorze.

Wykonanie współbieżne z podziałem czasu Kwanty czasu procesora przydzielane są na przemian dla wielu wątków Przełączenie wątków wymaga zapamiętywania i odtwarzania stanów poszczególnych wątków Kwanty czasu nie muszą być tej samej długości Wątki mogą być aktywowane z różną częstością Jeśli kwanty czasu są odpowiednio krótkie, to wątki wydają się być wykonane równolegle, choć naprawdę są tylko wykonane współbieżnie wątek 1 wątek 2

Wątek a proces Wątek – sekwencja operacji wykonywanych jedna po drugiej. Proces – wątek, który ma osobno przydzieloną pamięć. Procesy w systemach operacyjnych = programy Wątki – jeden proces może mieć wiele wątków, które współdzielą pamięć

Kluczowe problemy współbieżności Współdzielenie zasobów Problem zakleszczenia (blokady) Problem zagłodzenia

Współdzielone zasoby Między programami – pamięć dyskowa (pliki), drukarka, mysz, klawiatura, usługi systemowe Między wątkami – pamięć operacyjna

Sekcja krytyczna Fragment programu, który tylko jeden z wątków może wykonywać w jednym czasie wątek 1 wątek 2 Działam na własnych danych Działam na własnych danych Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Blokuję wejście Wykonuję sekcję krytyczną Czy mogę wejść? Odblokowuję wejście Czy mogę wejść? Działam na własnych danych Blokuję wejście Wykonuję sekcję krytyczną Odblokowuję wejście

Algorytm pojedynczego wątku Działam na własnych danych Czy mogę wejść? F Czekam chwilę protokół wstępny T Blokuję wejście protokół wstępny i końcowy muszą być zgodne dla wszystkich wątków Wykonuję sekcję krytyczną protokół końcowy Odblokowuję wejście Działam na własnych danych

Wymagania czasowe Żaden wątek nie może przebywać w sekcji krytycznej w nieskończoność (również z powodu sytuacji wyjątkowej czy błędu). Zachowanie wątków poza sekcją krytyczną jest dowolne. Wątki mogą się wykonywać z różnymi szybkościami

Zakleszczenie (blokada) wątek 1 wątek 2 Czekam na dane z wątku 2 Czekam na dane z wątku 1 N N Czy dostałem dane? Czy dostałem dane? Wysyłam dane do wątku 2 Wysyłam dane do wątku 1

Zagłodzenie wątek 1 wątek 2 wątek 3 Działam na własnych danych Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Blokuję wejście Wykonuję sekcję krytyczną Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Odblokowuję wejście Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Działam na własnych danych Blokuję wejście Czy mogę wejść? Wykonuję sekcję krytyczną Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Odblokowuję wejście Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Czy mogę wejść? Blokuję wejście Czy mogę wejść? Wykonuję sekcję krytyczną wątek 3 zostaje zagłodzony – nie uzyskuje dostępu do współdzielonego zasobu

Bezpieczeństwo i żywotność Poprawność programu sekwencyjnego częściowa poprawność – jeśli program się zatrzyma, to zwróci poprawne wyniki własność stopu – program zawsze kiedyś się zatrzyma (nie zapętli się) Bezpieczeństwo programów współbieżnych – uogólnienie własności częściowej poprawności dwa programy nigdy nie znajdą się jednocześnie w swoich sekcjach krytycznych Żywotność programów współbieżnych – uogólnienie własności stopu jeśli program czeka na wejście do sekcji krytycznej, to w końcu do niej wejdzie

Sprawiedliwość Gdy programy są identyczne: Gdy programy są różne? równy podział czasu naprzemienne wejścia do sekcji krytycznej Gdy programy są różne? priorytety zapobieganie zagłodzeniu